CC BY
169
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОБЛЕМА ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ АСТЕРОИДНОЙ ОПАСНОСТИ КОСМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ
В.Д. БУРКОВ, проф. каф. ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,
B. А. ЕСАКОВ, проф. каф. систем автоматического управления МГУЛ, канд. техн. наук, Г.Э. КУФАЛЬ, доц. МГУЛ, канд. техн. наук,
Ю.С. КАПРАНОВ, начальник отдела волоконно-оптических систем НТК СПП,
C. В. ПЕРМИНОВ, соискатель каф. ИИС и ТП МГУЛ,
Н.А. ХАРИТОНОВ, с. н. с. МГУЛ, канд. техн. наук
Общее число потенциально опасных астероидов. Вероятность и частота столкновений с землей
Наряду с прочими проблемами выживания человечества в современную эпоху в последние годы серьезно заявила о себе проблема астероидно-кометной опасности. Накопление и осмысление новых наблюдательных данных и теоретических оценок о малых телах Солнечной системы, обнаружение все большего числа следов космических катастроф на земной поверхности, новые факты о катастрофических столкновениях в Солнечной системе - все это произвело существенный сдвиг в восприятии научными кругами и общественностью той реальной опасности, которую представляют собой столкновения космических тел с Землей. Возрастает понимание того, что падения космических тел на Землю играли очень важную роль в развитии жизни на Земле в прошлом и могут оказать решающее влияние на нее в будущем.
Начиная с 80-х годов прошлого века, усилился интерес к изучению астероидов, сближающихся с Землей (АСЗ). Такие вопросы, как происхождение АСЗ, механизмы эволюции их орбит, время жизни, связь с другими телами Солнечной системы и пр., очень важны для решения проблемы происхождения и эволюции Солнечной системы.
С другой стороны, изучение малых небесных тел Солнечной системы приобретает чисто прикладное значение. АСЗ все больше рассматриваются как потенциальные источники разнообразного минерального сырья (Fe, Ni, Mg, Al, Si, H2O, N, C, O2 и др.) в околозем-
[email protected]; [email protected]
ном космическом пространстве [1]. Значительная часть АСЗ содержит летучие вещества (водород, азот, метан, углекислый газ) в концентрациях в сотни раз более высоких, чем лунный грунт. Есть проекты разработки АСЗ с целью использования их в качестве «полезных ископаемых» для осуществления космической инженерной деятельности. Возможно, первые работы по непосредственной разработке минеральных ресурсов космических тел (в первую очередь АСЗ) начнутся уже в первой половине XXI века. И, наконец, основным фактором, вызвавшим повышенный интерес к изучению АСЗ, можно считать т.н. «проблему астероидной опасности». Эта опасность существует на протяжении всей истории человечества, однако осознание ее реальности происходит только в настоящее время.
Число астероидов, сближающихся с Землей, может быть аппроксимирована степенным законом, который отражает общее возрастание числа астероидов с уменьшением их размера [2]
N = kD exp(-b), (1)
где N - число астероидов с диаметром больше D;
k - константа распределения; b - показатель степени, зависящий от диапазона размеров АСЗ (находится в пределах 2,0-4,3).
На рис. 1 приведены оценки общего числа астероидов, пересекающих орбиту Земли, в зависимости от их размеров, полученные Е. Боуэллом [2]. Согласно этим данным, существует свыше 2000 астероидов более 1 км в диаметре, которые пересекают орбиту Земли, и около 300 тысяч АСЗ, диаметры которых превышают 100 м. Столкно-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
157
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Таблица
Диаметр, км (более, чем) Доля АПЗ, %
6-12 100
3-6 35
2-4 15
1-2 7
0,1-0,2 0,2
Рис. 1. Общее число АСЗ с диаметрами, большими заданного значения (оценки Э. Боуэлла, США)
100
з
е, 101 -я
1 102|-
П
сЗ 3
в 103|-
ц 104
ё, 105 -
И)
Й
« 106|—
я
я
1 Г\7 10 Он
U
Диаметр астероида, м
3 10 30 100 300 1000 3000 10000
10
106 108
Энергия, выраженная в Мт
Рис. 2. Частота столкновений в зависимости от диаметра АСЗ и энергии столкновения
вение с Землей каждого из них - это реальная опасность для человечества.
Ниже представлены данные о доле обнаруженных к настоящему времени астероидов, пересекающих орбиту Земли (АПЗ), в процентах по отношению к оценкам общего их числа и в зависимости от их диаметров.
Таким образом, к настоящему времени обнаружены все объекты крупнее 6 км среди так называемых среднеальбедных (т.е. светлых) астероидов и крупнее 12 км среди так называемых низкоальбедных (темных) АПЗ. В то же время нам известны орбиты лишь около 7 % АПЗ диаметром большее 1 км и намного меньше (примерно 0,2 %) орбит астероидов диаметром более 100 м, даже наименьшие из которых способны вызвать региональные катастрофы. Именно в этом и состоит суть проблемы «Астероидная опасность».
Вероятность столкновения любого из этих астероидов с Землей пренебрежимо
мала. Однако в силу большого их числа частота столкновений достигает конечной величины (рис. 2).
Это примерно одно столкновение за миллион лет для астероидов диаметром 1 - 2 км и одно - за сто лет для астероидов, имеющих диаметры порядка 30 м. Частота столкновения с телами, подобным Тунгусскому феномену (около 60 метров в диаметре), составляет 1/300, т.е. одно столкновение за триста лет. На рис. 3 по оси абсцисс указана энергия падающего тела, выраженная в мегатоннах ТНТ (1 Мт = 4,2-1022 эрг) для каменных метеоритов (плотность 3,5 г/см3) и средней скорости столкновения 20 км/с.
Возможные последствия. Степень риска
Расчеты и результаты испытаний показали [3], что минимальная масса астероида, способного вызвать глобальные катастрофические изменения климата, фауны и флоры
158
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 3. Крупные кратеры (диаметром до 250 км) взрывного происхождения на поверхности Земли
на Земле, составляет несколько десятков миллиардов тонн, что соответствует пороговому диаметру такого астероида, равному 1-2 км. Столкновение Земли с такой массой приведет к взрыву, тротиловый эквивалент которого составляет 1 млн Мт (50 млн «Хиросим»). Выброс вещества из кратера примерно в 1000 раз превысит объем падающего тела, что может вызвать эффект «ядерной зимы»- пыль и сажа, поднятые в атмосферу, поглотят солнечное излучение, в результате чего резко снизится температура на поверхности Земли. Произойдут глобальные изменения в биосфере, что может привести к гибели значительной части населения Земли в течение нескольких месяцев или лет. Глобальная катастрофа особенно страшна тем, что ни одна нация или правительство не будут в состоянии оказать помощь другим странам, поскольку бедствие охватит всю планету. Человеческая цивилизация в том виде, которого она достигла за несколько тысяч лет развития, может прекратить свое существование.
Тела размером в сотни метров (неко-метной природы) преодолевают земную атмосферу без особой фрагментации. Основная энергия выделяется при ударе о твердую или
жидкую поверхность. Диаметр образующегося кратера превышает размер космического тела в 15-20 раз, а площадь зоны поражения S, как при атмосферном взрыве, так и на поверхности, выраженная в гектарах, может быть оценена по формуле (2), по данным работы [4]
S = 10000E23, (2)
где Е - кинетическая энергия в Мт.
При падении, например, 250-метрового тела (Е = 1000 Мт), которое происходит раз в 10 тысяч лет, зона поражения составит 1 млн га.
Для тел размерами до 100 м характерным сценарием является полная фрагментация в атмосфере с выпадением обломков на площади в десятки квадратных километров [2]. Взрыв в атмосфере сопровождается ударной волной, тепловыми и световыми эффектами, при этом более половины кинетической энергии освобождается на высотах 5-10 км. Радиус зоны поражения зависит от начального радиуса АСЗ и его скорости. Так, например, при начальном размере каменистого тела около 40 м и относительной скорости встречи с Землей 20 км/c радиус зоны разрушений составит 25 км.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
159
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Падение космических тел на землю в прошлом
Возникает вполне естественный вопрос: были ли уже столкновения крупных небесных тел (астероидов, комет) с Землей? Имеющиеся данные отвечают на него вполне утвердительно: да, они были в прошлом и, безусловно, будут происходить в будущем.
На поверхности Земли сохранилось не менее 130 кратеров ударного (а точнее взрывного) происхождения диаметром до 250 км различного вида и возраста, в том числе и очень древних, обнаруженных из космоса (рис. 3).
Из рисунка видно, что плотность кратеров на земной поверхности хорошо коррелирует с плотностью населения. Отсюда можно заключить, что это далеко не полные данные о количестве крупных падений на Землю, а лишь некоторая нижняя оценка.
В последние годы все больше подтверждений находит точка зрения, что внезапное исчезновение гигантских динозавров и некоторых других ископаемых животных объясняется столкновением Земли с огромным астероидом, происшедшем примерно 65 млн лет тому назад. Это событие совпадает со сменой двух геологических эпох в истории нашей планеты: мезозоя и кайнозоя. Переход между этими двумя эпохами ознаменован массовым вымиранием крупных ящеров и динозавров, которые уступили место млекопитающим и птицам. В геологических слоях Земли, относящихся к этому периоду, обнаружено содержание иридия, в сотни раз превышающее концентрацию в других слоях. Как
Рис. 4. Аризонский кратер (США) диаметром 1200 м, глубиной 175 м и возрастом 49 тыс. лет
известно, иридий содержится в относительно больших количествах в метеоритах, которые являются фрагментами астероидов. Это дало основание нобелевскому лауреату Л. Альва-рецу выдвинуть гипотезу, согласно которой аномальная концентрация иридия и гибель динозавров имеют одну и ту же причину -падение на Землю крупного астероида. При падении такого тела должен образоваться кратер диаметром 150-200 км. Заметим, что такой кратер, диаметром 180 км и возрастом 64,98±0,04 млн лет, найден вблизи побережья полуострова Юкатан (Мексика). Его название - Чискулаб.
Вторая глобальная космическая катастрофа, послужившая причиной вымирания так называемой «мамонтовой» фауны, произошла примерно 10 тыс. лет тому назад. Ученые предполагают, что после этой катастрофы человечество возродилось, по-видимому, уже в новой форме, в виде резкой вспышки цивилизаций примерно 8-9 тыс. лет тому назад. Таким образом, уже сейчас становится ясно, что глобальные ударные катастрофы были важным фактором в процессе развития жизни на Земле.
Знаменитый Аризонский кратер в США, диаметром 1200 м и глубиной 175 м (рис. 4), который хорошо сохранился до наших дней - очевидное доказательство столкновений крупных тел с Землей в прошлом. Этот кратер образовался при столкновении железного астероида размером около 60 м с Землей 49 тыс. лет назад.
Относительно недавнее событие, произошедшее на территории России в 1908 г. и известное как Тунгусская катастрофа, связывается с касательным столкновением Земли с осколком астероида или фрагмента ядра кометы размером 50-60 м, взорвавшегося в атмосфере на высоте 7 км. При взрыве освободилась энергия порядка 10 Мт (500 «Хиро-сим»). В радиусе 30 км от эпицентра взрыва произошел радиальный вывал леса. Несмотря на то, что это была катастрофа локального масштаба, имели место глобальные для Земли последствия, такие как разрушение слоя озона, помутнение в течение месяца атмосферы, образование окислов азота (и особенно
160
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 5. Следы ударного кратера от падения метеорита (Австралия)
Рис. 6. Следы ударного кратера на территории республики Гана (Африка)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
161
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 7. Следы ударного кратера на территории республики Чад (Африка)
Рис. 8. Следы ударного кратера, наблюдаемого из космоса в северной части Канады
162
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
вредной для дыхания двуокиси азота NO2). Напомним, что по оценкам специалистов такое событие может произойти примерно один раз в 300 лет.
На поверхности Земли до настоящего времени хорошо сохранились и другие кратеры, свидетельствующие о падении крупных метеоритных тел на Землю. Особенно хорошо следы этих «звездных шрамов» видны на фотографиях из космоса. На рисунках 5-8 приведены некоторые из таких ударных кратеров, наблюдаемые в различных районах Земного шара.
Уникальное событие июля 1994 г. - столкновение кометы Шумейкера-Леви с Юпитером, предсказанное астрономами с высокой точностью за год до того, как оно произошло, явилось как бы предупреждением для нас, землян. Оно еще раз напомнило о том, что подобные катастрофы в Солнечной системе - это действительно реальность сегодняшнего дня. В последнее время у астрономов особое беспокойство вызывает астероид под номером 2004МН4, которому его первооткрыватели Рой Такер, Дэвид Толен и Фабрицио Бернарди из национальной обсерватории Kitt Peak в Аризоне дали имя древнеегипетского духа зла и разрушения Апофиза.
За последние 30 лет было зафиксировано 6 случаев прохождения крупных тел на расстоянии, меньшем расстояния от Земли до Луны. В период с 2005 г. по 2015 г. опасных случаев сближения астероидов с Землей ожидается 57.
Восприятие угрозы столкновения Земли с достаточно крупным космическим телом из абстрактной возможности превратилось в осознание серьезной опасности, поддающейся количественной оценке.
Меры по отражению астероидной опасности
Техническая часть проблемы противодействия астероидной опасности представляется наиболее сложной и, безусловно, требующей наибольших финансовых затрат. Глобальная система защиты Земли должна включать, прежде всего, систему обнаружения ОКО (АСЗ), слежения за ними, определе-
ния их орбит и других параметров и принятия решения по организации противодействия в случае реальной угрозы Земле. Далее, подобная система должна располагать ракетно-космическим комплексом для доставки средств воздействия на ОКО. В качестве таких средств могут использоваться ядерные заряды, кинетические импакторы, двигатели малой тяги, концентрированные пучки лучистой энергии и пр. Современный уровень науки и техники позволяет разработать такую системы защиты Земли, но для ее реального создания потребуются новые исследования, дополнительные конструкторские решения, проведение экспериментов в космосе.
В настоящее время рассматриваются три основных принципа отражения комет-но-астероидной опасности. Это отклонение угрожающего объекта с орбиты встречи с Землей, экранирование Земли от столкновения с угрожающим объектом и, наконец, его уничтожение. [3, 10].
Самым простым способом отклонения небольших тел является ударное воздействие на них с помощью специального космического аппарата [11,12]. Если объект диаметром 100 м движется по орбите с перигелием в 0,9 а.е. и апогеем 4,0 а.е., лежащей в плоскости орбиты Земли, то аппарат-ударник массой 100 т при столкновении сообщит ему дополнительную скорость 0,25 м/с. Чтобы развести траектории объекта и Земли на миллион километров, удар необходимо нанести за 9,5 лет (3 витка) до предполагаемого момента столкновения. Для более крупных объектов применять этот способ вряд ли целесообразно ввиду неприемлемо большой массы космического аппарата.
На международной научной конференции, проходившей в Евпатории в сентябре 2000г., предлагался весьма любопытный подход к решению проблемы. Суть его состоит в том, чтобы перекрасить потенциально опасный астероид зеркальной пылью, тогда Солнце само сдвинет его с орбиты своими лучами [10]. Понятно, что перекрашивать нужно не уже мчащуюся к Земле глыбу, а еще идущую по своей естественной орбите. К сожалению, расчеты показывают, что для отклонения
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
163
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
таким способом даже небольшого объекта диаметром всего в 10м потребуется неприемлемо большое время в несколько тысяч лет. Нетрудно рассчитать, что величина светового давления от Солнца на орбите Земли составляет порядка 10-4 г на площади 100 м2, а на орбите Юпитера - еще на порядок меньше.
Не слишком крупный астероид (размером несколько десятков метров) можно свести с траектории и с помощью специального буксировщика [13, 14]. Здесь тоже возможны несколько подходов. Во-первых, это размещение на небесном теле ионного или плазменного двигателя с питанием от автономного источника - солнечных батарей или реактора. Поскольку любой объект имеет массу и, соответственно, притягивает другие объекты, возможен и иной вариант: «Гравитационный тягач» массой в тонну или более, используя работающий от солнечных батарей ионный (или плазменный) двигатель или маневровые двигатели на гидразине, зависнет на высоте в четверть километра над поверхностью астероида. Сила притяжения космического аппарата постепенно увлечет астероид в сторону с его траектории - по сути дела, тяга двигателей в течение месяца будет частично передаваться небесному телу. Для астероида диаметром около 100 м и с массой 2-3 • 10б тонн дополнительная сила составит величину в несколько грамм.
Если рассматривается не непосредственно угрожающий Земле астероид, а лишь потенциально опасный, периодически проходящий поблизости, то время, необходимое для проведения коррекции орбиты, не слишком критично. В связи с этим на буксировщике целесообразно использовать электроракетные двигатели с ядерной энергетической установкой, характеризующиеся большим удельным импульсом при малом расходе рабочего тела. Однако наибольшей проблемой при этом будет организация хранения на борту аппарата приемлемого количества рабочего тела. По скромным прикидкам, речь будет идти о 500-600 тоннах.
Иначе будет обстоять дело при необходимости защиты от астероида, обнаруженного уже на траектории встречи, например за несколько десятков суток. Аппараты с двига-
телями малой тяги просто не успеют за столь короткий промежуток времени сообщить ему сколько-нибудь существенный импульс.
Другой подход к проблеме защиты Земли от опасных космических объектов предполагает экранирование планеты от столкновения [15]. С помощью мощного буксировщика с ядерным ракетным двигателем (ЯРД), кинетического удара или ядерного взрыва на пути угрожающего объекта ставится помеха - астероид меньших размеров. Тогда траектория первого тела изменится вследствие полученного при столкновении импульса. Этот метод, получивший название «космического бильярда», оправдывает себя для противодействия угрожающим объектам размером несколько сотен метров.
Третий подход подразумевает уничтожение опасных космических объектов или, по крайней мере, их размельчение на фрагменты, последствия столкновения с которыми будут менее катастрофичными. Не исключен вариант, что работать придется против нескольких тел - обломков объекта, расколотого ранее в результате применения одного из описанных выше методов.
Одним из направлений в исследованиях нетрадиционного использования энергии ядерного взрыва, которые также проводились в ядерных центрах СССР (и сейчас продолжаются в России), являлся вопрос о противодействии угрозе столкновения крупного космического тела (астероида) с Землей. Это сложная многоплановая проблема, в которой здесь мы затронем только некоторые аспекты, связанные собственно с использованием ядерных устройств. После идентификации факта угрозы проблема сводится в основном к обеспечению необходимого сдвига орбиты космического тела или его фрагментации. Рассматривались различные варианты воздействия энергии ядерного взрыва на космическое тело [16-19]. Одним из механизмов воздействия предполагалось создание взрывом достаточного импульса для необходимого изменения орбиты. При этом исследовались варианты взрыва ядерного устройства на некоторой высоте над поверхностью космического тела с испарением и уносом тонкого слоя массы,
164
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
формирующего импульс на значительных расстояниях от взрыва. В этом случае прогрев уносимой массы определяется фотопоглощением энергии излучения ядерного взрыва в холодном материале («холодный режим»). В других случаях подрыв ядерного устройства рассматривался на поверхности космического тела, когда испарение и унос материала реализуются в условиях процесса лучистой теплопроводности («горячий режим»).
Интегральный импульс, создаваемый излучением ядерного взрывного устройства и передаваемый космическому телу в первом варианте приподнятого подрыва, может быть оценен соотношением [17]
J
| ds | dm^
2
и
e
тц
и
б ,
где - s0 = (E / 4nR2)u местный поток энергии излучения на поверхности в единицу мощности;
и = cos9, где 9 - угол между нормалью к поверхности и направлением на центр взрыва;
цв - эффективный коэффициент поглощения энергии излучения в теле объекта, определяемый материалом тела и спектром излучения;
Q - теплота испарения материала тела;
Е0 - энергия излучения ядерного устройства.
В предположении взрыва на высоте h над центром плоской поверхности тела в виде круга с радиусом R
I— I Е'п ( R2 ^
j = у/2Л Е-Мп 1+_
V цв у h2 у
с максимумом функции при h ~ 0,5R. Величина интегральной испаряемой массы со всей поверхности рассматриваемого круга может быть оценена соотношением
M = | dsmo (р)
: [ 2pds — \n J Цв
( Цв£0 ^ 2nh
Qu
цв
2 1 R2
1 * R?л
Л < I
Цв Ео
Г 4nQ(h2 + R2)
Рассмотрим конкретный пример скального космического объекта с характерным размером L ~ 100 м и объемом V ~ 106 м3. Для космического тела, состоящего из SiO2, при интегральном выходе энергии излучения в = 10 Мт величина J = 2,9-1015 г-см/сек. При массе тела m = 3-106 т передаваемая скорость составит приблизительно 10 м/сек. Величина интегральной испаряемой массы оценивается в данном примере в M ~ 190 т, а характерная средняя скорость разлета испаренного материала составляет = 150 км/сек. Для сдвига орбиты на величину порядка радиуса Земли необходим ресурс времени после производства взрыва в ~ 6,4-105 секунд ~ 7,5 суток. Такой ресурс представляется малореальной величиной с точки зрения возможности заблаговременного обнаружения цели и ее практического перехвата баллистической ракетой. Тем более это будет относиться к космическим телам, состоящим в основном из железа, а также в случае уменьшения энерговыделения ядерного заряда.
При контактном подрыве ядерного устройства на поверхности космического тела величина импульса, передаваемого этому телу вследствие прогрева его вещества тепловой волной, также зависит от конкретных предположений о параметрах излучения ядерного заряда и характеристиках материала. В целом эта величина не превосходит величины импульса, получаемого в «холодном режиме», и в некоторых конкретных вариантах может быть, например, на порядок меньше ее. В этом случае, однако, имеет значение процесс механического разрушения космического тела, связанный с образованием воронки выброса вещества. Уже при мощности взрыва 1 Мт величина радиуса воронки выброса может быть оценена в Rg ~ 100 м при ее глубине h_ ~ 30-40 м с объемом выброшенной породы в (0,5-0,6)-106 м3. При этом зона значительных смещений (разрушения) породы реализуется на расстояниях до (2-2,5>R = 200-250 м.
Таким образом, мы приходим к выводу, что космическое тело из скальной породы размером 200 м может быть разрушено при
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
165
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
контактном ядерном взрыве энерговыделением E = 1 Мт.
При увеличении энерговыделения взрыва до 10 Мт размер разрушаемого тела возрастает до 400 м. При этом радиус воронки выброса составит R ~ 200 м, а ее глубина hc ~ 60-70 м; зона значительных смещений (разрушения) породы составит при этом (400-500) м от центра взрыва. Отметим, что перехват подобного космического тела может быть важным событием. Масса такого объекта составляет приблизительно 108 тонн, а его энергия, которая может выделиться при столкновении с Землей, может быть оценена на уровне от 5 до 10 Гт (при относительной скорости столкновения в 20-30 км/сек).
Следующий шаг в направлении повышения эффективности использования энергии ядерного взрыва для разрушения космических тел может быть связан с исследованием возможности производства заглубленных ядерных взрывов, причем процесс заглубления обеспечивался специальной конструкцией корпуса боеголовки, содержащей ядерный заряд. При уровне энерговыделения ядерного устройства в 1 Мт характерный размер зоны дробления породы составляет до 250 м в скальном грунте, а зона разрушения, связанная с созданием трещин, составляет до 500 м от центра взрыва. В предположении, что вся энергия взрыва может быть преобразована в кинетическую энергию разлета фрагментов разрушенного космического тела, можно оценить характерную скорость их разлета в данном примере на уровне 100 м/сек.
Таким образом, поверхностным ядерным взрывом мощностью 1 Мт возможно уничтожить астероид диаметром 500 м, применение заглубленного взрыва той же мощности увеличивает диаметр астероида до одного километра. Если задаться требованием, что масса перехватчика по соображениям удобства поддержания в оперативной готовности не должна превышать 20 т, то мощность взрывного устройства будет ограничена величиной 100 Мт, а максимальный диаметр перехватываемого объекта будет находиться в пределах 3-5 км.
При использовании ядерного заряда для разрушения астероидов необходимо соблюсти два условия: осколки разрушенного тела сами по себе должны быть существенно менее опасны для Земли, чем исходное тело, и должен быть обеспечен их разлет, исключающий последующее групповое воздействие на Землю.
Исходя из второго требования, перехват по штатной схеме функционирования должен осуществляться на максимально возможном удалении от планеты, что существенно усложняет задачу наведения. Первое же требование обуславливает рост мощности применяемых зарядов и накладывает ограничения на максимальные размеры космического тела, к которому метод разрушения может быть применен. Следует учитывать плотность и состав потенциально опасного объекта. Многие астероиды по строению скорее похожи на кучу мусора, чем на сплошное космическое тело, а в таком случае они легко поглотили бы энергию ядерного взрыва. Компьютерные симуляции, сделанные Эриком Асфогом из Калифорнийского университета, демонстрируют, что такой «щебневатый» астероид поглотит такое количество энергии ядерного взрыва, что взрыв почти не повлияет на траекторию астероида. После ядерного взрыва большой астероид может просто расколоться на несколько крупных кусков, которые продолжат движение по направлению к Земле.
В этой связи следует отметить еще один способ, предложенный Германном Берчардом из универститета штата Оклахома [20]. Он считает, что значительно эффективнее отправить на орбиту представляющего опасность объекта космический аппарат, который наполнит газом, получаемым в результате определенных химических реакций, огромную подушку безопасности диаметром несколько километров. Космический аппарат должен «отбуксовать» подушку навстречу астероиду. Таким образом, при столкновении подушка окажется между Землей и астероидом. При этом благодаря газу, который наполняет подушку, энергия давления астероида равномерно распределится по
166
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
участку поверхности газовой подушки, достаточно большой, чтобы просто-напросто отразить астероид от нашей планеты. Берчард полагает, что такой механизм сработает для отражения космических тел диаметром до 10 километров.
Но вернемся снова к инженерным вопросам. Поскольку, как было показано выше, единого универсального метода предупреждения столкновения Земли с космическими объектами, применимого в широком диапазоне их физических свойств, размеров, подлетных траекторий и дальностей перехвата, не существует, напрашивается закономерный вывод: глобальная система космической защиты должна быть эшелонированной.
Обоснование целесообразности развития информационно-измерительных технологий, основанных на применении оптических и лазерных средств
Среди исследований, посвященных вопросам астероидной опасности и безопасности можно выделить несколько направлений. Прежде всего - выявление и наблюдения опасных тел, сближающихся с Землей. При этом следует отметить, что реализация даже такого крупного международного проекта, как «Космическая стража», немыслима без активной поддержки сетью более мелких специальных инструментов, которые необходимо расположить на территории различных государств. Исследование природы опасных космических объектов доступно для определения из наземных наблюдений, хотя крайне желательны и космические средства типа «Галилео», «NEAR», «Клементина». Таким образом, определение физических характеристик ОКО является одной из важнейших задач после его обнаружения и определения орбиты.
Кроме того, для выявления опасных небесных тел размерами менее километра предлагается концепция создания «оптического барьера» на орбите Земли с помощью системы космических аппаратов-патрулей [21-24]. Система КА-патрулей позволяет за 5-6 лет провести каталогизацию большого
числа небесных тел с диаметром 100 метров, сближающихся с Землей. Прогресс техники наблюдения позволит, вероятно, в будущем в рамках той же системы довести размеры выявляемых опасных тел до нескольких десятков метров. Поэтому система космической каталогизации может быть следующим шагом по выявлению опасных тел после известных программ оптического наблюдения их с Земли.
Среди технических средств, которые могут быть использованы для локации и изучения астероидов, называются радиолокационные станции [25]. Обычно радиолокация астероидов проводится в сантиметровом диапазоне при мощностях излучения до нескольких сотен киловатт. При этом считается, что только радиолокационные измерения, выполняемые непосредственно вслед за открытием, позволят радикально уточнять орбиты множества очередных объектов. Кроме того, радиолокационные измерения содержат сведения о физических и минералогических характеристиках и дают возможность понять строение и структуру поверхности множества новых небесных тел. В последнее время высказываются идеи использовать радиолокационное зондирование для обнаружения приближающихся к Земле астероидов и комет. Радиолокация, в отличие от оптических наблюдений, способна работать как ночью, так и днем, и вне зависимости от погоды. Однако реализовать эти преимущества чрезвычайно трудно, поскольку астрономические радиотелескопы имеют слишком узкую диаграмму направленности (малое поле зрения). Было высказано предложение использовать для этой цели радиолокационные системы (РЛС) вооруженных сил России и США, предназначенные для обнаружения баллистических ракет на дальних расстояниях. Объекты размерами 10-100 м они способны обнаружить на расстояниях до сотен тысяч километров, поэтому предлагается использовать РЛС в качестве последнего эшелона в комплексной системе обнаружения опасных астероидов, в которой роль первого эшелона отводится оптическим телескопам [23]. Вместе с тем установлено, что мощное
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
167
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
направленное радиоизлучение заметно влияет на магнитосферу Земли и может провоцировать возникновение смерчей, ураганов и других нежелательных явлений, разрушающих экологию нашей планеты [27]. В этой связи нам представляется целесообразным рассмотреть более безопасные методы получения необходимой информации о движении потенциально опасных небесных тел, к числу которых, безусловно, относятся оптические методы.
Мощные радары, предназначенные для обнаружения и детального исследования астероидов, целесообразно использовать на лунных станциях, которые могли бы использоваться в автоматическом режиме. При этом вся обрабатываемая информация могла бы сбрасываться непосредственно на Землю по высокоинформативным и малогабаритным оптическим линиям связи.
Кроме того, возможно размещение на наиболее проблемных астероидах лазерных маяков, в автоматическом режиме находящих Землю и посылающих по команде с Земли серию мощных световых импульсов. По этим импульсам можно с высокой точностью (до нескольких десятков сантиметров) определять скорость и параметры движения опасного объекта. Расчеты показывают, что установка на астероиде лазера с достаточно просто реализуемыми параметрами позволит проводить траекторные измерения объекта на расстояниях около миллиарда км, т.е. вплоть до орбиты Сатурна, при использовании наземных телескопов трехметрового диаметра. Такие телескопы уже не являются уникальными, они используются в ряде обсерваторий, что делает оптическую систему наблюдений практически независимой от метеоусловий.
Лазерные маяки целесообразно ставить на достаточно крупные объекты, столкновения которых с Землей грозят глобальной катастрофой. На сравнительно небольших телах, которые способны вызвать локальные разрушения, можно устанавливать панели уголковых отражателей, с помощью которых производится точное определение места падения с целью забла-
говременной эвакуации населения, нейтрализацией производств и т.д. Такая панель с эффективной площадью около одного квадратного метра при локации с Земли и приеме отраженного сигнала на входной апертуре около 3-х метров позволит проводить высокоточные траекторные измерения на расстояниях до 106 км, т.е. за 10-20 часов до возможного столкновения.
Наконец, использование лазерных малогабаритных измерителей дальности на космических аппаратах, пролетающих мимо потенциально опасных объектов, позволит получать их высокоточное объемное изображение, что значительно облегчит выбор методов воздействия на такой объект. В частности, это позволит выбрать наиболее уязвимый участок астероида при ядерном ударе или максимально использовать аэродинамический эффект при его вхождении в искусственный газовый пузырь.
Представленные возможные меры не требуют создания принципиально новой инфраструктуры в дополнение уже существующей. Но они требуют дальнейшего развития пилотируемой космонавтики и постановки перед ней реальных практических задач, решение которых не только устранит те угрозы, которое осознало человечество, но и объединит его усилия в настоящем проникновении и овладении Космосом.
Развитие новых технологий позволит в будущем не только решить проблему астероидной опасности, но и поможет справиться с кризисом нехватки ресурсов, а в обозримом будущем реально подойти к возможности изменения условий на ближайших планетах.
Библиографический список
1. Lupishko D. F., Di Martino M. Physical properties of near-Earth asteroids // Planetary and Space Science.
- 1998. - V. 46. - № 1. - P. 47-74.
2. D. L., Bowell E., Shoemaker E., Muinonen K. The population of Earth-crossing asteroids // Hazards due to comets and asteroids (ed. T.Gehrels). - Univ. of Arizona Press, Tucson. 1994. - P. 285-312.
3. Meдведев, Ю.Д. Астероидно-кометная опасность / Ю.Д. Meдведев, М.Л. Свешников, А.Г. Сокольский и др. - СПб.: Изд-во ИТА-МИПАО, 1996.
- 244 с.
168
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
4. Chapman C. R., Morrison D. Impacts on the Earth by asteroids and comets: assessing the hazard // Nature.
- 1994. - V 367. - P. 33-40.
5. Международный форум «Космос, наука и проблемы 21века » 1-5 окт, 2007, выступление Б. Шустова, дир. Инст. Астр. АНРФ.
6. 6 Giorgini JD, Benner LAM, Ostro SJ, Nolan MC, Busch MW, Predicting the Earth encounters of (99942) Apophis, Icarus 193 (2008), pp. 1-19.
7. Chapman C. R., Morrison D. Impacts on the Earth by asteroids and comets: assessing the hazard // Nature.
- 1994. - V 367. - P. 33-40.
8. Morrison D. (Ed.) The Spaceguard Survey: Report of the NASA International Near-Earth-Object Detection Workshop. - JPL. - Pasadena. - 1992. - 66 p.
9. Toon O. B., Zahnle K., Turco R. P. et al. Environmental perturbations caused by asteroid impacts // Hazards due to comets and asteroids (ed. T.Gehrels). - Univ. of Arizona Press, Tucson. - 1994. - P. 791-826.
10. Ковтуненко, В.М. Возможность построения системы защиты Земли от астероидов и комет на базе современных технологий / В.М. Ковтуненко, Г.Н. Роговский, К.Г. Суханов и др. // Тезисы докл. всеросс. конференции «Астероидная опасность-95» 25-27 мая 1995 г. - СПб: Изд. МИПАО и ИТА РАН, 1995. - Т.2. - С. 65-66.
11. Ивашкин, В.В. Анализ возможности изменения орбиты сближающегося с Землей астероида ударным воздействием космического аппарата /
B. В. Ивашкин, А.В. Зайцев // Космические исследования. - 1999. - Т. 31. - № 4.
12. Simonov I. V. Effect of High-Speed Kinetic Impact on a Stony Asteroid. Assessment of Fragmentation. // Международная конференция «Космическая защита Земли”, 23-27 сентября 1996 г., Снежинск. Тезисы. С. 83.
13. Семенов, Ю.П. Результаты исследований возможной роли ядерных энергетических и двигательных установок в решении проблем защиты Земли от астероидной опасности / Ю.П. Семенов, Ю.А. Баканов, В.В. Синявский и др. // Международная конференция «Космическая защита Земли - 2000». 11-15 сентября 2000 г. Евпатория, Крым, Украина. Тезисы. - С. 68-69.
14. Зайцев, А.В. Применение разработок НПО им. С. А. Лавочкина для создания Системы планетарной защиты от астероидов и комет / А.В. Зайцев,
C. Д. Куликов, К.М. Пичхадзе и др. // В сб. НПО им. С. А. Лавочкина. Сборник научных трудов.
- Вып. 2. - М., 2000. - С. 204-207.
15. Зайцев, А.В. Некоторые принципы построения системы предотвращения столкновений Земли с астероидами и кометами / А.В. Зайцев // Труды XXIII Чтений К.Э. Циолковского (Калуга, 13-16 сентября 1988 г.). Секция «Проблемы ракетной
и космической техники». - М.: ИИЕТ АН СССР, 1989. - С. 141-147.
16. . Shubin O. N., Nechai V. Z., Nogin V. N., Petrov D. V., Simonenko V A. Nuclear Explosion Near Surface of Asteroids and Comets. Common Description of the Phenomenon. // Report, «Planetary Defence Workshop», Livermore, May 1995.
17. Андюшин, И.А. Укрощение ядра / И.А. Андюшин, А.К Чернышев, Ю.А. Юдин. - Саранск, 2003.
18. Wood L., Hyde R., Ishikava M., Teller E. Cosmic Bombardment V: Threat Object - Dispersing Approaches To Active Planetary Defense. // Report of the Planetary Defense Workshop, Livermore, CA (1995).
19. Ковтуненко, В.М. Анализ некоторых проблем создания и проектных параметров системы перехвата опасных космических объектов / В.М. Ковтуненко, С.П. Алябьев, А.В. Зайцев и др. // Международная конференция «Проблемы защиты Земли от столкновения с опасными космическими объектами (SPE-94)”. 26-30 сентября 1994 г. Снежинск (Челябинск-70). Тезисы докладов. -Ч. I, - С. 76.
20. Сакунов, Р. Подушка для астероида / Р. Сакунов. - По материалам New Scientist, 2002.
21. Kovtunenko V, Rogovsky G., Chesnokov A., Sukhanov K., Papkov O., Bojor Ju., Zaitsev A., Kotin V., Maglinov I., Feshin I. Spase Patrol Project as a First Stage of the Earth Asteroid Protection System Deployment. IAF-95-Q.5.09, 10 p. (1995).
22. Ковтуненко, В.М. Научно-технические аспекты и проблемы создания Системы защиты Земли от опасных космических объектов / В.М. Ковтуненко, А.В. Зайцев, В.А. Котин // Международная конференция «Проблемы защиты Земли от столкновения с опасными космическими объектами (SPE -94)”, 26-30 сентября 1994 г., Снежинск. Тезисы докладов. - Ч. I. - С. 72.
23. Eneev T., Akhmetshin R., Efimov G., Zaslavsky G. Space Patrol System / 17-th Int. Symposium «Space Flight Dynamics». Moscow, 2003. 16-20 of June
24. Morrison D. (Ed.) The Spaceguard Survey: Report of the NASA International Near-Earth-Object Detection Workshop. - JPL. - Pasadena. - 1992. - 66 p.
25. Зайцев, А.Л. Состояние и перспективы радиотехнических измерений небесных тел, сближающихся с Землей / А.Л. Зайцев // Всероссийская конференция с международным участием «Астероидная опасность-95», 23-25 мая 1995 г., Санкт-Петербург. Тезисы докладов. - Т.2. - С. 44-45.
26. Бурлаков, А.Б. Неизбежность последствий антропогенных воздействий на магнитосферу Земли / А.Б. Бурлаков, С.В. Перминов, Ю.С. Капранов и др. // Юбилейные чтения памяти А.Л. Чижевского. 27-30 ноября 2007г. - СПб, С. 60-69.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
169
